Измерение уровня жидкого металла в кристаллизаторе МНЛЗ (стр. 3 из 9)
В условиях избыточного давления нейтрального газа между промежуточной емкостью и кристаллизатором важное значение приобретает стабилизация уровня жидкого металла в кристаллизаторе.
ИЗМЕРЕНИЕ УРОВНЯ С ПОМОЩЬЮ РАДИОАКТИВНЫХ ИЗОТОПОВ
Измерение уровня при помощи радиоактивных изотопов целесообразно прежде всего там, где вследствие наличия специфических условий, а именно: высокого давления, разреженности, агрессивности среды — нельзя использовать обычные приборы.[2] Этот способ используют для измерения уровня заполнения резервуаров, силосных башен и бункеров, где нельзя установить измерительные щупы или необходимо применение дорогостоящей системы измерительных щупов, вызванное конструктивными особенностями. Но и в тех случаях, когда правила техники безопасности запрещают установку уровнемеров в резервуарах или когда установка обычных приборов потребовала бы больших затрат, для измерений часто выгодно оказывается использовать радиоактивные изотопы. Особенно целесообразно применять радиоактивные изотопы для измерений уровня агрессивных материалов, веществ с повышенной адгезионной способностью, в резервуарах с очень высокими температурами, в резервуарах со встроенными мешалками, в бункерах с такими крупнокусковыми материалами, как уголь или руда, в шахтных печах, в литейном производстве и на металлургических заводах.
Физические основы
В основе измерения при помощи искусственных радиоактивных изотопов лежит принцип поглощения радиоактивного излучения соответствующим материалом, содержащимся в резервуаре. Пучок γ-лучей, излучаемый радиоактивным источником, проникает через резервуар по прямой линии (рис. 3). На стенке резервуара, лежащей против излучателя, расположен приемник, преобразующий принятые лучи в электрические импульсы. Вследствие поглощения радиоактивных лучей материалом внутри резервуара интенсивность принятого излучения зависит от высоты уровня.
Рис. 3. Схема радиоактивного сигнализатора уровня:
1 - излучатель; 2 - приемник
Возникающие на выходе приемника импульсы, частота которых пропорциональна интенсивности излучения, подводятся к переключающему устройству, реле которого срабатывает, как только число импульсов в единицу времени достигнет минимальной величины. Ввиду того что в большинстве случаев измеряют толстые слои материала, используют преимущественно γ -лучи. Большое влияние на процесс измерения оказывают стенки резервуара, обладающие иногда значительной толщиной. Исходную интенсивность проникающего через заполненный резервуар излучения рассчитывают следующим образом:
При пустом резервуаре она равна
. Таким образом, отношение величин интенсивности 
где dw, — толщина стенки резервуара; pi — плотность содержимого; di — внутренний диаметр резервуара; μ — массовый коэффициент поглощения; рw — плотность материала стенки.
Такое же выражение имело бы место и для теоретического случая, когда стенки отсутствуют, т. е. толщина и плотность стенки не оказывают влияния на ослабление. Однако необходимо учитывать, что при наличии металлических стенок большой толщины происходит рассеяние, оказывающее заметное влияние на направление и интенсивность излучения. В принципе для толстых стенок необходимо использование радиоактивного препарата более высокой энергии. Для того чтобы практически иметь дело по возможности со слабыми препаратами и, следовательно, с минимальной радиационной защитой, расстояние между излучателем и приемником должно быть минимальным. В доменных печах, вагранках, шахтных известковообжигательных печах, например, этого можно достичь благодаря уменьшению толщины стенки в местах установки излучателя и приемника путем применения трубок, заделанных с переднего конца. Кроме того, можно приобрести также излучатели с двойной защитной оболочкой. Такая оболочка, состоящая обычно из высококачественной стали, предотвращает рассеяние радиоактивного материала и тем самым загрязнение окружающей среды радиоактивными веществами.
Ослабление мощности излучения радиоактивного излучателя вследствие поглощения воздухом происходит по квадратичному закону. Степень поглощения радиоактивного излучения твердыми и жидкими материалами зависит в первую очередь от их плотности.
Измерение уровня
При ступенчатом измерении уровня посредством радиоактивных изотопов можно использовать различные варианты размещения излучателей (рис.4). Существует возможность сигнализации предельного уровня или измерения ступенями с большей или меньшей дискретностью. В показанном на рис. 4, а варианте расположения использован один изотоп, испускающий два пучка лучей. Расположенные на пути прохождения лучей счетчики радиоактивного излучения соединены параллельно. Как видно из графика,
Рис.4. Наиболее распространенные варианта расположения излучателей
превышение пределов hmax и hmin вызывает резкое изменение частоты повторения импульсов, которое можно использовать для включения реле. Почти непрерывная индикация уровня достигается путем размещения друг над другом нескольких излучателей, как показано на рис. 10, г. В этом случае представляется возможным измерять уровень до высоты, равной утроенному диаметру резервуара.
На диаграмме показано, что индикация носит приблизительно непрерывный характер. Бесступенчатой графической характеристики можно достичь, если применить стержневидный препарат проф. Бергольда. Ввиду того что мощность препарата на концах стержня усилена, превышение минимального и максимального уровня заполнения (рис. 10, г) выявляется особенно
четко. Целесообразно в этом случае применять реле. При помощи такого метода можно производить измерение высоты до 3 м. Вариант непрерывного измерения показан на рис. 10, б, Здесь счетчики радиоактивных излучений устанавливают вертикально. Благодаря расположению в ряд параллельно включенных счетчиков диапазон измерения можно увеличить приблизительно до 1,2 м. Другим решением, также пригодным для измерения высоких уровней, является метод измерения со следящим управлением (рис. 10, д),
Выводы
Измерение уровня при помощи радиоактивных изотопов обладает тем преимуществом, что этот метод является бесконтактным. Посредством этого метода можно измерять уровень заполнения резервуара даже в исключительно сложных условиях. Таким образом, обеспечивается высокая эксплуатационная надежность установки, ее износ и ремонтные работы невелики, что приводит к снижению расходов. Точность измерения около 2 %. При непрерывных измерениях следует принимать во внимание период полураспада используемого радиоактивного изотопа.
При использовании аппаратуры для контроля уровня металла в квадратных кристаллизаторах источник и приемник излучения размещаются стационарно вне кристаллизатора. На мощных слябовых МНЛЗ источник и приемник размещаются непосредственно в стенке кристаллизатора в специальных приливах. С помощью термостойкого кабеля приемник излучения через соединительную коробку соединен с измерительным прибором типа В 3118, который является интегрирующим накопителем импульсов с последующим преобразованием сигнала интегратора в унифицированный сигнал 0-10 В и 0-5 мА. Прибор рассчитан на работу с потоком импульсов 450-9000 имп/с, интегратор позволяет накапливать их с постоянной времени.
В большинстве случаев фактический уровень металла в кристаллизаторе определяют посредством измерительного устройства, работающего на основе радиоактивности. Другие измерительные устройства, например, термоэлементы, устанавливаемые в стенке кристаллизатора, не нашли широкого применения из-за присущих им недостатков.[2]
Радиоактивное измерительное устройство состоит из стержневидного препарата кобальта 60, сцинтилляционного счетчика и специального усилителя. Источники радиоактивного излучения и счетчики размещают на кристаллизаторе таким образом, чтобы через участок, на котором в процессе разливки стали должен установиться ее уровень, могли проходить и улавливаться счетчиком радиоактивные изотопы, поступающие от источника их излучения (рис.5).
Рис.5. Система непрерывного измерения уровня металла в кристаллизаторе и принцип "шлакового барьера":
1 - промежуточный ковш; 2 - стопор; 3 - наивысший уровень стали; 4 - минимальный уровень стали в кристаллизаторе; 5 - участок измерения; б - источник радиоактивного излучения - кобальт 60; 7 - сцинтилляционный счетчик; 8 - стержне видный источник радиоактивного излучения (кобальт 60) для непрерывного измерения уровня металла в кристаллизаторе; 9 - точечный источник радиоактивно излучения (кобальт 60) для измерения предельных величин (здесь "шлаковый барьер"); 10 - кристаллизатор для литья слябов; (вид сверху); S- подъем кристаллизатора; U- напряжение